DE4019405A1 - Optischer abtastkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Abtastkopf für ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur einer Werkstückoberfläche gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Abtastkopf ist z. B. in der DE-OS 35 36 700 beschrieben. Bei ihm ist die Optik über eine Federanordnung so am Gehäuse befestigt, daß sie sich nur in Achsrichtung bewegen kann.

Für manche Anwendungsfälle wäre es vorteilhaft, wenn man einen derartigen optischen Abtastkopf hätte, bei welchem die Optikachse auch schräg geneigt zur Referenzfläche stehen kann, damit sie auf diese Weise dann senkrecht auf geneigten Abschnitten der Werkstückoberfläche steht. Ein solches Senk­ rechtstehen der Optikachse auf einem gerade ausgeleuchteten Abschnitt der Werkstoffoberfläche ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn diese Oberfläche gut spiegelt oder sehr stark absorbiert, so daß man bei exakt senkrechter Ausrich­ tung der Optikachse bezüglich der Referenzebene nur sehr wenig Licht von der Werkstückoberfläche zurück reflektiert erhielte. Bei nur geringer Menge des von der Werkstückober­ fläche über die Optik auf den Detektor abgebildeten Lichtes ist die Genauigkeit der Nachregelung der Optikstellung nicht sehr groß, entsprechend ungenau ist die Messung der Mikrokontur.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein optischer Abtastkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaf­ fen werden, der auch unter den vorgenannten Bedingungen präzise arbeitet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Abtast­ kopf gemäß Anspruch 1.

Optiken, die in einer Mehrfach-Spulenanordnung frei schwe­ bend gelagert sind, sind an sich bekannt (DE-PS 32 34 288), allerdings in erster Linie zum Einsatz bei der Spurnachfüh­ rung in Compactdisc- und Videodisc-Abspielgeräten. Für die Verwendung in einem optischen Abtastkopf muß zugleich die exakte Momentanstellung der Optik bekannt sein, und hierfür sind im Anspruch 1 zusätzlich Maßnahmen vorgeschlagen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Ist die Optikachse gegenüber der Vertikalen auf der Refe­ renzfläche gekippt, so hat der Lichtpunkt, welchem die Optik von der Lichtquelle auf der Werkstückoberfläche erzeugt, in der Referenzfläche nicht mehr dieselben Koordinaten wie bei exakt senkrecht auf der Referenzfläche stehender Optik­ achse. Dem kann man gemäß Anspruch 3 begegnen.

Bei einem Abtastkopf gemäß Anspruch 4 kann man die Brenn­ punktsnachführung der Optik auch bei stärker gekippter Optik auf einfache Weise bewerkstelligen.

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 5 bis 9 sind im Hinblick auf eine möglichst rasche Ermittlung von Mittelpunkt und Durchmesser des auf dem Detektor erhal­ tenen Lichtfleckes von Vorteil. Die rasche Ermittlung dieser Kenngrößen dient der Herabsetzung der Zeitkonstanten der Regelschleife und ermöglicht so ein Ausmessen von Werkstück­ oberflächen mit großer Geschwindigkeit.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen optischen Abtastkopf für ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur einer Werkstückoberfläche längs dessen Längsmittelebene;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der zusammen mit dem Abtast­ kopf nach Fig. 1 verwendeten Elektronik;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines auf einer Wandlerplatte des Abtastkopfes nach Fig. 1 erhaltenen Lichtfleckes;

Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf die Wandlerplatte des Abtastkopfes mit verschiedenen Optikstel­ lungen zugeordneten vereinfachten Lichtflecken;

Fig. 5 schematische Darstellungen von Lichtflecken, die in aufeinanderfolgenden Meßperioden auf der Wand­ lerplatte erhalten werden;

Fig. 6 eine schematische Darstellung, anhand welcher das Abtasten der Wandlerelemente der Wandler­ platte durch einen zugeordneten Auswertekreis erläutert wird;

Fig. 7 ein Flußdiagramm, gemäß welchem dieser Auswerte­ kreis arbeitet; und

Fig. 8 ein zu Fig. 2 ähnliches Blockschaltbild, welches zusammen mit einem abgewandelten Abtastkopf Ver­ wendung findet.

In Fig. 1 ist mit 10 insgesamt ein optischer Abtastkopf bezeichnet, der zum Ausmessen der Mikrokontur einer Werk­ stückoberfläche 12 dient. Der Abtastkopf ist über nicht näher gezeigte Befestigungseinrichtungen mit Koordinaten­ antrieben verbunden, die den Abtastkopf in x- und y-Richtung über der Werkstückoberfläche 12 verfahren. Die x-y-Fläche stellt zugleich eine im Mittel auf die Werkstückoberfläche 12 eingestellte Referenzfläche 14 dar.

Der Abtastkopf 10 hat ein Gehäuse 16, von dessen in Fig. 1 rechts gelegener Seitenwand ein Halbleiter-Laser 18 ge­ tragen ist, der üblicherweise im Infraroten arbeitet. Der vom Laser 18 abgegebene Strahl gelangt über einen halbdurch­ lässigen Spiegel 20 zu einer Optik 22, die den Strahl auf die Werkstückoberflache bündelt.

Die Optik 22 sitzt in einer zweiteiligen Fassung 24, auf deren Außenseite ein axial magnetisierter permanentmagne­ tischer Antriebsring 26 aufgeklebt ist. Die durch die Bau­ teile 22 bis 26 gebildete Optikeinheit 28 ist unter radialem Spiel in einer Kunststoff-Hülse 30 angeordnet. Auf deren Außenseite sitzen axial beabstandet drei Spuleneinheiten 32, 34, 36, die ihrerseits jeweils aus drei nierenförmigen Spulen bestehen, die sich über einen Umfangswinkel von 120° erstrecken. Zwischen den Spuleneinheiten liegen Kunststoff- Distanzringe 38. Hochflexible Bändchen 40 halten die Optik­ einheit 28 bei abgeschalteten Spuleneinheiten 32, 34, 36 in der Hülse 30.

Das von der Werkstückoberfläche 12 reflektierte Licht wird von der Optik 22 wieder gesammelt und über den halbdurch­ lässigen Spiegel 20 auf eine Wandlerplatte 42 abgebildet, die in Fig. 1 über dem Spiegel 20 liegt und von der oberen Gehäusewand des Abtastkopfes getragen ist. Die Wandlerplatte 42 umfaßt eine Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter einzel adressierbarer Wandlerelemente, kann z. B. eine CCD- Wandlerplatte sein, wie sie in Fernsehkameras Verwendung findet. Die Wandlerplatte 42 ist über eine schematisch an­ gedeutete Signalschiene 44 mit einem benachbarten Auswerte­ kreis 46 verbunden. Ein in die in Fig. 1 rechts gelegene Gehäusewand eingelassenes Steckverbinderteil 48 dient zum Anschließen des Lasers 18, der Spuleneinheiten 32 bis 36 und des Auswertekreises 46 an eine externe Steuereinheit, die später unter Bezugnahme auf Fig. 2 genauer beschrieben wird.

Der Auswertekreis 46 arbeitet grob gesprochen so, daß er den Mittelpunkt und Durchmesser des in der Regel gut kreis­ förmigen Lichtfleckes berechnet, der jeweils auf der Wand­ lerplatte 42 erhalten wird. Diese Daten gibt der Auswerte­ kreis 46 auf einen Strom-Steuerkreis 50, der im wesentlichen folgendermaßen arbeitet: Der gemessene Lichtfleck-Durch­ messer wird mit einem Referenzwert verglichen, der dem Lichtfleckdurchmesser bei idealen Fokussierungsbedingungen entspricht. Ist der momentane Lichtfleckdurchmesser größer, so ändert der Steuerkreis 50 die den Spuleneinheiten 33 bis 36 zugeführten Ströme solange, bis der Durchmesser- Referenzwert erreicht wird. Ist dies der Fall, wird die Optimierung unterbrochen, und auf einer Leitung 52 ein Akti­ vierungssignal bereitgestellt. Wird nur ein relatives Mini­ mum erhalten, ohne daß der Referenzwert erreicht wird, so versucht der Steuerkreis 50 durch unterschiedliche Beauf­ schlagung der Einzelspule 32a bis 36c der verschiedenen Spuleneinheiten den Lichtfleck-Durchmesser auf den Refe­ renzwert herunterzuregeln. Hierbei wird dann die Optik 22 nicht nur axial verstellt sondern auch verkippt.

Mit den von dem Steuerkreis 50 abgegebenen Stromsignalen (bzw. in der Praxis hierzu proportionalen Spannungssignalen) für die neun verschiedenen Spulen der Spuleneinheiten 32 bis 36 ist ferner ein Rechenkreis 54 beaufschlagt, der diese Spulensignale umrechnet in ein Signal z für die Axialstel­ lung der Optik und Lichtfleck-Auslenkungen δx, δy, wie sie sich aus der Verkippung der Optik ergeben. Der Rechen­ kreis 54 braucht hier nicht näher beschrieben zu werden; er kann im Prinzip aus einem großen Festwertspeicher be­ stehen, in welchem für die verschiedenen Spulen-Speise­ strom-Kombinationen die entsprechenden Optikstellungen für alle fünf Koordinaten (drei Translations- und zwei Winkelkoordinaten) abgespeichert sind.

Ein Summierkreis 56 erhalt neben den Signalen z, δx und δy Signale x und y, die von Stellungsgebern 58, 60 bereit­ gestellt werden, die die Relativbewegung zwischen Abtast­ kopf 10 und Werkstück messen.

Die Größen x, y und z werden bei Anliegen eines Aktivie­ rungssignales auf der Leitung 52 in einen Schreib/Lese­ speicher 62 eingelesen. Dieser arbeitet mit einem Grafik­ prozessor 64 zusammen, der die übermittelten Daten gemäß der jeweils gewünschten Auswertung (perspektivische Dar­ stellung, Schichtliniendarstellung oder dergleichen) auf­ arbeitet und einen Plotter 66 ansteuert.

In Fig. 3 ist über der Wandlerplatte 42 schematisch die Intensität eines Lichtfleckes 68 angedeutet. Dieser wird bei der beim Auslesen der Wandlerelemente erfolgenden Sig­ nalverarbeitung auf einem Zylinder 70 reduziert, der dem­ jenigen Bereich entspricht, in welchem die Lichtintensität J einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Mit dieser Signalverarbeitung entsprechen ideale Fokussierungsbedin­ gungen einem mittigen, kleinen Durchmesser aufweisenden Lichtfleck 72 von Fig. 4, während ein mittiger vergrößer­ ter Lichtfleck 74 einer Defokussierung über einem ebenen Oberflachenabschnitt entspricht, ein kleiner außermittiger Lichtfleck 76 Fokussierungsbedingungen über einem geneigten Oberflächenabschnitt der Werkstückoberfläche und ein großer außermittiger Lichtfleck 78 Defokussierungsbedingungen über einem geneigten Oberflächenabschnitt entspricht.

Fig. 5 zeigt drei aufeinanderfolgende Schritte beim Ein­ regeln von Fokussierungsbedingungen zu den Zeitpunkten t_-2, t_-1 und t₀ (betrachteter Zeitpunkt).

Fig. 6 zeigt das Abtasten des Lichtfleckes auf der Wandler­ platte 42 durch sukzessives Abfragen der einzelnen Wandler­ elemente in x- bzw. y-Richtung durch den Auswertekreis 46. Der Auswertekreis 46 beginnt beim Mittelpunkt M_-1 des vor­ hergehenden Zyklus und liest die Wandlerelemente in +x-Rich­ tung solange aus, bis er zum erstenmal die Intensität J(x)=0 antrifft. Dies sei beim Punkt x₁ der Fall. Das Abtasten geht nun ausgehend vom Mittelpunkt M_-1 in negativer x-Rich­ tung weiter, bis beim Punkt P₂ wieder eine Intensität 0 festgestellt wird. Der Auswertekreis 46 berechnet nun den Mittelpunkt zwischen P₁ und P₂, der in der Zeichnung mit P₃ bezeichnet ist. Hiervon ausgehend erfolgt das weitere Auslesen der Wandlerelemente in +y-Richtung bis zum Punkt P₄, wo ebenfalls Intensität 0 zum erstenmal festgestellt wird. Dann erfolgt ein Rücksprung zum Punkt P₃ und ein weiteres Auslesen der Wandlerelemente in negativer y-Rich­ tung bis zum Punkt P₅. Der Mittelpunkt des Kreises ergibt sich nun als Mitte zwischen P₄ und P₅, der Durchmesser des Kreises als Abstand zwischen diesen Punkten. Alternativ kann man den Kreismittelpunkt auch aus den Koordinaten der Punkte P₁, P₂ und P₄ berechnen, ebenso den Kreisdurch­ messer.

Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm, nach welchem der Auswerte­ kreis 46 arbeitet, wobei als Längeneinheit der Abstand be­ nachbarter Wandlerelemente angenommen ist. Ein Programmblock 89 enthält die Bestimmung der x-Koordinate des Mittelpunk­ tes M₀, ein Programmblock 82, der nicht detailliert wieder­ gegeben ist, ist das Äquivalent für die y-Richtung.

Bei dem abgewandelten Blockschaltbild nach Fig. 8 sind oben schon beschriebene Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Diese brauchen somit nicht im einzelnen beschrie­ ben zu werden.

Der Rechenkreis 54 ist nun eingangsseitig mit fünf Beschleu­ nigungsmessern 84x, y, z und a sowie b verbunden, welche auf der Optikeinheit 28 angeordnet sind und Ausgangssig­ nale bereitstellen, die der Beschleunigung der Optikein­ heit 28 in x-, y- und z-Richtung bzw. den beiden Drehrich­ tungen a und b entsprechen. In Folientechnik ausgeführte Beschleunigungsfühler mit geringer Masse, die auf der Lin­ seneinheit 28 angebracht werden können, sind im Handel er­ hältlich. Der Rechenkreis 54 enthält eingangsseitig eine Integratorstufe 86, die die verschiedenen Beschleunigungs­ fühler-Ausgangssignal zweimal aufintegrieren, so daß man ein Lagesignal für die entsprechende Koordinate erhält. Diese Lagesignale werden dann in die Großen z, δx und δy umgesetzt, und diese werden dann wieder weiterverarbeitet wie oben für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschrie­ ben.

Claims (11)

1. Optischer Abtastkopf für ein Gerät zum Ausmessen der Mikrokontur einer Werkstückoberfläche (12), mit einem Gehäuse (16), mit einer Lichtquelle (18), mit einer senk­ recht zur Werkstückoberfläche (12) beweglichen Optik (22) zum Abbilden der Lichtquelle (18) auf die Werkstückober­ fläche (12), mit einem auf die Optik (22) arbeitenden Elektromagneten, der ein mit der Optik verbundenes magne­ tisches oder magnetisierbares Antriebsteil (26) und eine die Optik (22) unter Spiel umgebende Spulenanordnung (32 bis 36) umfaßt, mit einem lichtempfindlichen Detektor (42), auf welchen die Optik (22) das von der Werkstückoberfläche (12) reflektierte Licht abbildet und der ein der Brennpunkts­ ablage des ausgeleuchteten Punktes der Werkstückoberfläche (12) zugeordnetes elektrisches Signal bereitstellt, und mit einem Regelkreis (50), der mit dem Detektorausgangs­ signal beaufschlagt ist und den Speisestrom für die Spulen­ anordnung (32 bis 36) so einstellt, daß die Optik (22) so verstellt wird, daß ihr Brennpunkt auf der Werkstückober­ fläche (12) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (22) in der mehrere Spuleneinheiten (32 bis 36) umfassen­ den Spulenanordnung freischwebend gelagert ist; daß der Regelkreis (50) die Speiseströme für die verschiedenen Spuleneinheiten (32 bis 36) zumindest gruppenweise getrennt regelt; und daß entweder ein Umsetzkreis (54) vorgesehen ist, welcher mit den Spulen-Speiseströmen zugeordneten Signalen beaufschlagt ist und diese in Optik-Lagesignale umsetzt, oder mit der Optik (22) Beschleunigungsfühler (84) für drei unabhängige Translationskoordinaten und zwei unabhängige Winkelkoordinaten starr mitbewegt werden und die Ausgangssignale dieser Beschleunigungsfühler (84) durch Integratoren (86) zweimal zu Optiklagesignalen aufintegriert werden.

2. Abtastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsfühler (84) über dünne, hoch­ biegsame Leiter mit gehäusefesten Anschlußklemmen verbunden sind.

3. Abtastkopf nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Korrekturkreis (54), der der Neigung der Optik (22) Rechnung tragende Meßpunktkoordinaten-Korrektursignale aus den Optikneigungssignalen und Optiklagesignalen be­ rechnet; und durch einen Addierkreis (56), der die gemes­ senen Meßpunkt-Koordinatensignale (58, 60) und die Meßpunkt- Koordinatenkorrektursignale zusammenfaßt.

4. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (42) eine Matrixanord­ nung von Detektorelementen, z. B. eine CCD-Wandlerplatte umfaßt, und daß die Ausgangssignale der verschiedenen dis­ kreten Detektorelemente laufend durch einen Auswertekreis (46) verarbeitet werden, der Mittelpunkt und Durchmesser des auf dem Detektor (42) erhaltenen Lichtflecks (68) be­ rechnet.

5. Abtastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektor­ elemente ausgehend vom zuletzt ermittelten Kreismittel­ punkt (M_-1) vornimmt.

6. Abtastkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detek­ torelemente in einer ersten Abtastrichtung unterbricht, sobald ein verschwindendes Detektorelement-Ausgangssignal erhalten wird.

7. Abtastkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detektor­ elemente in der negativen ersten Abtastrichtung ausgehend vom zuletzt ermittelten Kreismittelpunkt (M_-1) vornimmt.

8. Abtastkopf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Auswertekreis (46) das Abtasten der Detek­ torelemente in einer zweiten Abtastrichtung ausgehend vom Mittelpunkt (P₃) der ersten Abtaststrecke vornimmt.

9. Abtastkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertekreis das Abfragen der Detektorelemente in der zweiten Abtastrichtung unterbricht, sowie ein ver­ schwindendes Detektorelement-Ausgangssignal angetroffen wird.

10. Abtastkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertekreis (46) das Abfragen der Detektor­ elemente in der negativen zweiten Abtastrichtung ausgehend vom Mittelpunkt (P₃) der ersten Abtaststrecke vornimmt.

11. Abtastkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertekreis (46) im Gehäuse (16) in der Nachbarschaft des Detektors (42) angeordnet ist.